tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ composite al2o3 ni trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp trên thế giới, cácchi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt như nhiệtđộ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh

Nội dung Trang

PHẦN 2 – THỰC HIỆN MẠ COMPOSITE Al 2 O 3 -Ni TRÊN

MỘT SỐ CHI TIẾT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LỚP MẠ 21

2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến

độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-Al2O3 25

2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến

mật độ hạt cứng lớp mạ composite Ni-Al2O3 28

2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến

độ bám dính của lớp mạ composite Ni-Al2O3 37

PHẦN 3 – NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU MA SÁT

MÀI MÒN CỦA CHI TIẾT ĐƯỢC MẠ Ni -Al 2 O 3 44

3.1.1 Thiết bị mặt phẳng nghiêng để xác định hệ số ma sát

a) Cơ sở lý thuyết để xác định hệ số ma sát:

44 b) Tiến hành thí nghiệm so sánh hệ số ma sát giữa chi

tiết được mạ tổ hợp composite Ni-Al2O3 và chi tiết mạ Ni

50

đơn chất thông thường

3.1.2 Nguyên nhân khả năng giảm ma sát của mạ tổ hợp

composite Ni-Al2O3 so với mạ đơn chất thông thường 53

3.2 Nghiên cứu khả năng làm việc của bộ khuôn dập thuốc

3.2.1 Tổng quan về công nghệ sản xuất thuốc viên trong

a Các giải pháp cơ bản nâng cao chất lượng bộ khuôn 64

b Lựa chọn loại viên thuốc để thử nghiệm 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu Tên bảng biểu Trang

Bảng 2.0 Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al2O3 22Bảng 2.1 Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi tốc độ khuấy từ

140 v/p đến 312 v/p, nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/dm2

25

Bảng 2.2 Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi mật độ dòng điện:

3A/dm2, 5A/dm2, 7A/dm2, nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210

v/p

25

Bảng 2.3 Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi nhiệt độ mạ 35C,

40C, 45C, 50C, mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p

26

Bảng 2.4 Chiều dày lớp mạ phụ thuộc vào thời gian mạ 37Bảng 3.1 Hệ số ma sát của các chi tiết chỉ được mạ Ni thông thường 51Bảng 3.2 Hệ số ma sát của các chi tiết đã được mạ tổ hợp composite Ni-

Bảng 3.3 Hệ số ma sát của các chi tiết chỉ được mạ Ni thông thường khi

ngâm trong các dung dịch ăn mòn cao

52

Bảng 3.4 Bảng hệ số ma sát của các chi tiết đã được mạ tổ hợp composite

Ni-Al2O3 khi ngâm trong các dung dịch ăn mòn cao

52

Bảng 3.5 Kết quả đo mòn đương kính đầu chày 68

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ 15

Hình 2.2 Hệ thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện 21

phần hóa học qua phân tích EDX.

Hình 2.5 Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al2O3 vào lớp mạ 30Hình 2.6 EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al2O3 và Fe 31Hình 2.7 Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 350C 32Hình 2.8 Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 400C 32Hình 2.9 Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 450C 33Hình 2.10 Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 500C 34Hình 2.11 Ảnh SEM mặt cắt ngang của lớp mạ sau 2 giờ mạ 38Hình 2.12 Ảnh SEM bề mặt và phân tích EDX thành phần lớp mạ sau 2h mạ. 38Hình 2.13 Ảnh SEM thể hiện sự bám dính của lớp mạ tại góc của chi tiết 39Hình 2.14 Ảnh SEM thể hiện sự tham gia của hạt cứng trong lớp mạ 41

Hình 3.3: Thời điểm thực hiện đo góc ma sát của các CTM 50

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp trên thế giới, cácchi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt như nhiệt

độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát mài mòn lớn Do vậy các chitiết máy sau khi gia công sử dụng kỹ thuật mạ nhằm nâng cao chất lượng bề mặtđược sử dụng ngày càng phổ biến Chúng dần thay thế cho các chi tiết máy giacông truyền thống không có sự can thiệp của công nghệ bề mặt hỗ trợ Những ưuviệt của chi tiết được mạ có thể chỉ ra được ngay như: có độ bền và độ dai, khảnăng chống va đập, chịu được ăn mòn về hóa học hay Ôxi hóa do môitrường….cao hơn hẳn [1], [2], [3]

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, ngành công nghệ bề mặt nói chung và kỹthuật mạ cũng không ngừng tiến bộ và phát triển nhằm đáp ứng được nhu cầucủa xã hội Kỹ thuật bề mặt nói chung và kỹ thuật mạ nói riêng đã trở thành mộttrong những ngành kỹ thuật đầy tiềm năng Trong thập niên đầu tiên của thế kỷXXI, sự chuyển giao công nghệ, kỹ thuật mạ tiên tiến từ các tập đoàn nước ngoàivào nước ta diễn ra hết sức mạnh mẽ Mặt khác trong nền giáo dục sau đại học ởcác nước công nghiệp phát triển kỹ thuật bề mặt cũng phát triển nở rộ tạo ra rấtnhiều cơ hội nghiên cứu chuyên sâu cho các học viên cao học

Tuy nhiên tại thời điểm này, kỹ thuật mạ ở Việt Nam vẫn chủ yếu tập trungvào lĩnh vực mạ đơn thuần, tức là mạ các vật liệu ở dạng đơn chất như mạNiken, Crôm, …lên vật dụng [4],[5] Những cách mạ này có thể tăng được khảnăng chống ăn mòn trên vật liệu tuy nhiên cơ tính bề mặt lại bị ảnh hưởng xấu

đi Mặt khác, các chi tiết được mạ ở dạng đơn chất có chất lượng bề mặt chỉdừng lại ở mức độ trung bình Vì vậy vấn đề mạ chi tiết theo trạng tháiComposite ở nước ta là một vấn đề hết sức cấp bách, nhằm đáp ứng yêu cầu chế

tạo ra các chi tiết mạ với cơ tính, khả năng chịu ăn mòn tốt, vừa đảm bảo chấtlượng bề mặt cao [6], [7].

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ Composite Al 2 O 3 -Ni trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn”

Thành công của đề tài sẽ góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượngsản phẩm cơ khí làm việc trong môi trường ăn mòn của các lĩnh vực khác nhau

3 Đối tượng nghiên cứu

Tạo ra lớp mạ Composite Al2O3-Ni cho các chi tiết máy, nghiên cứu khảnăng làm việc của các chi tiết máy được mạ so sánh với các chi tiết máy không

có lớp mạ này Rút ra những ưu việt của lớp mạ Composite Al2O3-Ni

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với triển khai thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết, qua đó triển khai thí nghiệm tạo ra lớp mạ trên cácchi tiết máy

Thí nghiệm Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ

Thử nghiệm cho chi tiết làm việc trong môi trường có các chất hóa học ănmòn.

5 Ý nghĩa của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Về mặt khoa học đề tài rất phù hợp với xu thế phát triển trong và ngoàinước về công nghệ bề mặt Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trongnghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết máy được mạ Composite Al2O3-Ni,những tính năng vượt trội khi chi tiết được mạ so với các chi tiết không được mạ

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Ngày nay các chi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sứckhắc nghiệt như nhiệt độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát màimòn lớn Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi khoa học về công nghệ bề mặtphải tạo ra những chi tiết máy đáp ứng được những điều kiện khắc nghiệt này Vìvậy, đề tài này có ý nghĩa rất thực tiễn trong việc sản xuất, tạo ra các chi tiết có

độ cứng và tuổi bền cao nhằm nâng cao tính kinh tế của chi tiết máy, hạ giáthành sản phẩm

Nội dung của luận văn bao gồm:

Phần 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ bề mặt:

- Các vấn đề cơ bản về mạ Composite Khái quát về các hướng nghiêncứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mạ Composite các chi tiết máy(tập chung vào mạ Composite Ni) để từ đó định hướng nội dung đề tài nghiêncứu.

dụng phân tích các yếu tố ảnh hưởng đên đặc tính lớp mạ tổ hợp:

- Tạo ra lớp mạ Composite Al2O3-Ni trên các chi tiết dạng trục cơ bản

- Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al2O3-Ni trên các chitiết máy

- Trên cơ sở phân tích SEM của lớp mạ nhận xét về các nhân tố ảnh hưởngđến đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al2O3-Ni Tối ưu về giá thànhcủa sản phẩm

Phần 3: Chế tạo thiết bị ma sát trượt, nghiên cứu khả năng làm việc của chi

tiết được mạ tổ hợp composite Al 2 O 3 -Ni

- Chế tạo thiết bị ma sát trượt dựa trên các cơ cấu nguyên lý máy cơ bảnnhư mặt phẳng nghiêng, cơ cấu bốn khâu bản lề…

- Thực hiện đưa các chi tiết máy đã được mạ Composite Al2O3-Ni và chi tiếtmáy chỉ được mạ Ni thông thường vào thiết bị ma sát trượt, sau đó so sánh

và đánh giá khẳ năng chịu ma sát mài mòn giữa chúng Thử nghiệm chocác chi tiết ngay trong môi trường ăn mòn:

Phần 4: Kết luận cho đề tài của luận văn

Phần 1 – TỔNG QUAN 1.1 Những vấn đề cơ bản về mạ Composite

Mạ composite là một biện pháp công nghệ cao nhằm tạo nên trên bề mặt chi tiết một lớp mạ có ít nhất hai pha; pha nền kim loại và pha có dạng hạt cứng hoặc sợi giúp chi tiết có khả năng làm việc vượt trội so với mạ điện thông

thường Mạ composite có các ưu điểm sau :

1 Tăng khả năng chống mòn, mòn cho các cặp đôi ma sát kim loại và hượp kim

2 Tăng khả năng chống ăn mòn

3 Tạo nên lớp giảm ma sát trên bề mặt đối tiếp

Ti, Zn Ni, các hợp chất sulfides của Mo, W, Mica, graphit, kim cương, các oxide của Al, Ti…

- Chiều dày lớn nhất của lớp mạ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến

sự thành công của quá trình mạ Mạ composite có thể tạo ra lớp mạ đồng đều trên bề mặt các chi tiết máy có hình dạng phức tạp

- Các thông số quan trọng của quá trình mạ điện composite là: Dung dịch điện phân, các chất phụ gia, kích thước hạt cứng, độ PH, mật độ dòng điện, nhiệt độ

mạ, hiệu quả của quá trình khuấy, tần số xung…

- Mạ composite ngày nay được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết máy của động

cơ máy bay, công nghiệp ô-tô, công nghiệp dược…

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị mạ điện

a)Katot di động; b) bơm; c) khuấy không khí; d) chi tiết quay; e) khuấy cơ khí; f) quay li tâm; quay nghiêng; h) rung điện từ hoặc siêu âm

loại hay điện ly; đồng lắng đọng của các hạt bằng cơ chế liên kết hoá học vớiđiện cực, hay hai giai đoạn hấp thụ

Hiệu quả của Katot là rất quan trọng trong việc xác định khả năng các hạtcứng có tính trơ có thể tham gia vào lớp mạ được không Nếu tốc độ mạ xảy raquá nhanh các hạt cứng khi đến cathode sẽ bị bật ra Độ giảm hiệu điện thế trongquá trình mạ điện (0,1 – 0,3 V/cm) là quá thấp để tạo nên cơ chế lắng đọng củacác hạt cứng và vì thế việc khuấy dung dịch điện phân là rất cần thiết để đẩy cáchạt cứng va chạm và gắn vào bề mặt cathode và sau đó tham gia vào lớp mạ

Dung d?ch di?n phân

l?p m? composite t? h?p

Bu?c 1 H?t c?ng trung tính

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ

Theo Guglielmi có một mô hình toán học dựa trên hai bước hấp thụ kế tiếp

- Bước 1: Các hạt trung tính bị kéo riêng rẽ đến Katot và chúng ở trạngthái cân bằng với các hạt ở trạng thái huyền phù cho đến khi bị bao bọc bởi ion

Hạt cứng trung tính

Bước 1

Dung dịch điện phân

Bước 2: Hình thành lớp mạ composite

và phân tử dung môi Bước thứ nhất được tính toán dựa trên những đặc tính vật

lệ phần trăm các hạt trong dung dịch điện phân Trong một số trường hợp tỉ lệhạt có thể lên tới 200 mg/l [8]

1.4 Kết luận

Qua các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước có thể thấy mạcomposite đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là mạ điện compositeAl2O3 trên nền Ni hoàn toàn có thể áp dụng trong điều kiện nghiên cứu ở nước ta.Trong năm 2010 trường ĐHKTCN Thái Nguyên cũng đã bảo vệ thành công một

đề tài cấp nhà nước về mạ tổ hợp composite để nâng cao chất lượng làm việc củachi tiết máy Tuy nhiên tác giả nhận thấy việc nghiên cứu khả năng làm việc củacác chi tiết máy được mạ tổ hợp composite Al2O3 trên nền Ni là chưa phổ biến,các công bố ưu điểm về khả năng làm việc của các chi tiết này của các tác giảnước ngoài cũng rất khó được kiểm chứng, hơn nữa khi chi tiết làm việc trong

điều kiện ma sát trượt lớn lại có các chất ăn mòn như sút, axit, muối thì rấtthiếu các nghiên cứu cụ thể và kiểm chứng rõ ràng

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết máy mạcomposite trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn, tuy nhiên quacác tài liệu đã công bố [10,11] tác giả nhận thấy có 3 yếu tố ảnh hưởng rất lớn tớikhả năng làm việc của chi tiết máy là

- Độ bám dính của lớp mạ trên bề mặt chi tiết

- Độ cứng tế vi của lớp mạ

- Mật độ hạt cứng trong lớp mạ

PHẦN 2 – THỰC HIỆN MẠ COMPOSITE Al 2 O 3 -Ni TRÊN MỘT

SỐ CHI TIẾT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LỚP MẠ

2.1 THÍ NGHIỆM

2.1.1 Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị mạ composite trên nền Ni bao gồm:

1 Bể chứa dung dịch điện phân (hình 2.1) dung

tích 60 lít, trong quá trình mạ lượng dung dịch

là 30 lít

Hình 2.1

2 Hệ thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện (hình 2.2) có thể nâng và ổnđịnh nhiệt độ của dung dịch tới 80C

3 Hệ thống điều khiển tự động cung cấp dòng một chiều xung hoặc liên tụccho bể mạ

4 Hệ thống khuấy cơ học (hình 2.3) có thể điều

nhằm tạo độ bám dính tốt, độ cứng tế vi và mật độ hạt cứng tối ưu bằng thực nghiệm.

Trong quá trình thực hiện đề tài và cũng như tìm hiểu các công trìnhnghiên cứu trước đó về chất lượng chi tiết mạ composite việc điều khiển chế độ

mạ có thể làm thay đổi hoàn toàn khả năng làm việc của chi tiết máy, nói mộtcách cụ thể hơn có nghĩa là đề tạo được độ bám dính, độ cứng tế vi, cũng nhưmật độ hạt tối ưu trong lớp mạ ta phải đưa ra được một bộ thông số về chế độ mạchính xác Việc này có thể thực hiện được một cách khoa học và chính xác dựatrên phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tuy nhiên với điều kiện và trình độhiện tại của bản thân tác giả cố gắng thực hiện dựa trên thực nghiệm bằng cáchthay đổi độc lập từng thông số của chế độ mạ và đưa ra điểm tối ưu của chấtlượng chi tiết mạ composite theo thông số đó Ở đây em thực hiện thí nghiệm với

3 yếu tố điều khiển (Factor) là Tốc độ khuấy, Mật độ dòng điện, Nhiệt độ củaquá trình mạ

Chế độ 1 : - Thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 312 v/p

Nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2

Chế độ 2 : - Thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2, 5A/dm2, 7A/dm2

Nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p

Chế độ 3 : - Thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C, 50C

Mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p

2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến độ cứng tế

*) Thực hiện thí nghiệm theo chế độ 1.

Thực hiện thí nghiệm theo chế độ mạ 1 trên 3 lần đo, mỗi lần đo thực hiệnvới 6 đổi tốc độ khuấy khác nhau đồng thời so sánh với mẫu thí nghiệm chỉ mạ

Ni thông thường ta được bảng số liệu sau :

Bảng 2.1: Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi tốc độ khuấy

từ 140 v/p đến 312 v/p, nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2

Ni-Al2O3

140 v/p

Al2O3

Ni-175 v/p

Al2O3

Ni-210 v/p

Al2O3

Ni-245 v/p

Al2O3

Ni-278 v/p

Al2O3

*) Thực hiện thí nghiệm theo chế độ 2.

Thực hiện thí nghiệm theo chế độ mạ 2 trên 3 lần đo, mỗi lần đo thực hiệnvới 3 mật độ dòng điện thí nghiệm khác nhau đồng thời so sánh với mẫu thínghiệm chỉ mạ Ni thông thường ta được bảng số liệu sau :

Bảng 2.2: Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi mật độ dòng điện:

3A/dm2, 5A/dm2, 7A/dm2, nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p

7A/dm2

1 154 250 280 170

*) Thực hiện thí nghiệm theo chế độ 3.

Thực hiện thí nghiệm theo chế độ mạ 3 trên 3 lần đo, mỗi lần đo thực hiệnvới 4 nhiệt độ mạ thí nghiệm khác nhau đồng thời so sánh với mẫu thí nghiệmchỉ mạ Ni thông thường ta được bảng số liệu sau :

Bảng 2.3: Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi nhiệt độ mạ 35C,

40C, 45C, 50C, mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p

Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến độcứng tế vi của lớp mạ composite là đáng kể tuy nhiên mức độ ảnh hưởng là khácnhau

*) Nhận xét kết quả

Để tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc làm việc trong môitrường ăn mòn, tăng độ cứng tế vi của lớp bề mặt là một giải pháp hữu hiệu.Thay đổi các thông số của quá trình mạ như tốc độ khuấy, mật độ dòng điện,nhiệt độ mạ dẫn đến những thay đổi đáng kể về độ cứng tế vi của lớp mạcomposite Ni-Al2O3 Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất đến độ cứng tế vi của lớp

mạ composite (có thể tăng độ cứng đến 125%) sau đó là tốc độ khuấy và mật độdòng điện (có thể tăng độ cứng đến 86%) Đây là những kết quả có ý nghĩa tolớn trong việc nâng cao khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc

2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến mật độ hạt cứng lớp mạ composite Ni-Al 2 O 3

Sự tham gia của các hạt trung tính Al2O3 vào lớp mạ Ni được xác định trênkính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy) Jeol 5410 LV tại trườngĐại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội

*) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch điện phân (Thực hiện thí nghiệm theo chế độ 3)

Trong quá trình thay đổi nhiệt độ dung dịch điện phân và phân tích SEMcho thấy ở 4 nhiệt độ khác nhau là 35C, 40C, 45C, 50C trên máy phân tíchBukka như sau: